高溫減壓閥密封面鈷基合金堆焊

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之前介紹組合式減壓閥在國(guó)華惠州熱電應(yīng)用，現(xiàn)在介紹高溫減壓閥密封面鈷基合金堆焊介紹了閥門密封面常用材料堆焊鈷基合金( 焊絲) 的化學(xué)成分、牌號(hào)類別和熔敷金屬層常有的缺陷。論述了手工鎢極氬弧焊( GTAW) 的工藝驗(yàn)證方法?？偨Y(jié)DN300 奧氏體不銹鋼三偏心蝶閥密封面堆焊鈷基合金的質(zhì)量控制。蒸汽減壓閥是閥天生產(chǎn)的先導(dǎo)活塞式蒸汽減壓閥，改減壓閥以高頻率動(dòng)作場(chǎng)合和大流量，高壓差工況的強(qiáng)適應(yīng)性，受到廣泛歡迎。但是在實(shí)際應(yīng)用中由于應(yīng)用不當(dāng)，部件疲勞等多方面原因，出現(xiàn)了閥門直通、壓力調(diào)節(jié)不準(zhǔn)等故障，現(xiàn)將導(dǎo)致這些故障的常見原因以及相應(yīng)措施介紹如下：

1、高溫減壓閥密封面鈷基合金堆焊RP-6減壓閥出現(xiàn)直通現(xiàn)象
減壓閥閥前和閥后壓力相同或壓差微小。導(dǎo)致該故障的可能原因是： 由于CoCrWB硬質(zhì)合金(鈷基合金)具有優(yōu)良的耐熱、耐腐蝕、耐氧化、耐磨損和較高的紅硬性等綜合性能，抗摩擦磨損和抗粘著性能很強(qiáng)，因此，在閥門密封面上得到越來越廣泛的使用。CoCrWB硬質(zhì)合金粉末經(jīng)等離子弧堆焊在閥門密封面上，形成鈷基合金堆焊層，因?yàn)镃oCrWB硬質(zhì)合金具有較高的紅硬性(常溫硬度在HRC42~55)因而給機(jī)械加工帶來較大的困難。

上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：減壓閥(組合式減壓閥,可調(diào)式減壓閥,自力式減壓閥在火電、核電及煤化工等高溫高壓閥門密封面的工作條件十分惡劣【超(超)臨界火力發(fā)電站上主蒸汽管道閥門的工作溫度通常為605℃，主蒸汽的工作壓力為27.5MPa左右】，因此對(duì)閥門密封面的加工精度要求很高，按原機(jī)電部頒發(fā)的“電站閥門制造與驗(yàn)收技術(shù)條件”，其中要求：(1)密封面應(yīng)平直并保證徑向吻合度不小于80%(平鏡檢查)；(2)密封面表面粗糙度Ra大允許值為0.2μm。

1、概述

鈷基合金具有良好的高溫性能、耐疲勞、耐腐蝕、耐磨損、耐沖蝕和耐擦傷。因此，鈷基合金常用來堆焊用于工況環(huán)境比較苛刻的閥門密封面。鈷基合金堆焊過程中，熔敷金屬層通常產(chǎn)生微裂紋或冷裂紋、與母材剝離或脫落、化學(xué)成分偏析及硬度不均勻等缺陷。為了保證DN300 奧氏體不銹鋼三偏心蝶閥閥體密封面堆焊Slite 6，熔敷金屬厚度≥2mm，硬度值≥38 HRC 的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了奧氏體不銹鋼母材上堆焊鈷基合金的工藝驗(yàn)證。
由于鈷基合金在閥門密封面堆焊領(lǐng)域的大量應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)采用的堆焊方法主要有手工電弧焊、鎢極氬弧焊、氧-乙炔火焰堆焊、等離子堆焊等。
隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)閥門密封面磨損基理的研究也不斷深入，閥門技術(shù)人員對(duì)閥門密封面的使用材料和對(duì)各種使用工況的適應(yīng)性有了更全面、更深刻的理解和認(rèn)知。因此，用其他材料代替鈷基合金材料在閥門密封面上的應(yīng)用也逐漸開展起來?？偟膩碚f鈷基合金材料的研制代用的出發(fā)點(diǎn)是從兩個(gè)方面研究，*點(diǎn)是常規(guī)閥門密封面鈷基合金代用材料是由于鈷資源較少，屬于稀缺資源，并且鈷基合金材料價(jià)格很高，其顯著的特點(diǎn)是在高溫工況金相組織穩(wěn)定、紅硬性好、耐磨性能優(yōu)良。第二點(diǎn)是核系統(tǒng)設(shè)備中使用的金屬材料的鈷元素含量有限制要求，即要求 Co < 0.08 %。核級(jí)閥門密封面鈷基合金代用材料的研究應(yīng)用是近年來才開始起步的，例如北京工業(yè)大學(xué)胡建平等進(jìn)行了核閥密封面無(wú)鈷鎳基合金涂層材料及熔覆工藝的研究，趙學(xué)彬等進(jìn)行了核閥密封面無(wú)鈷鐵基合金及激光涂層性能的研究。以上這些研究的出發(fā)點(diǎn)是由于鈷元素具有放射性，半衰周期較長(zhǎng)，鈷基合金磨損和腐蝕碎片中的Co59受激發(fā)后能形成Co60同位素，這將會(huì)延長(zhǎng)核輻射的半衰周期，當(dāng)進(jìn)行停堆檢修時(shí)，這些輻射會(huì)造成檢修時(shí)間延長(zhǎng)和對(duì)維修人員健康的威脅，同時(shí)也會(huì)大大增加核燃料屏蔽的難度和代價(jià)。而閥門密封面堆焊的鈷基合金的鈷含量都在50%以上，造成這一矛盾現(xiàn)象的原因是核系統(tǒng)中對(duì)閥門的安全性和可靠性要求*，閥門使用壽命要達(dá)到30年以上。鈷基合金材料具有耐沖蝕、耐擦傷、耐磨損、耐腐蝕和高溫紅硬性等眾多優(yōu)點(diǎn)，很長(zhǎng)時(shí)間以來一直應(yīng)用在核系統(tǒng)中的閥門密封面上，實(shí)現(xiàn)了其安全性和可靠性要求。這些就使得閥門工作者雖認(rèn)識(shí)到鈷含量超標(biāo)與核系統(tǒng)要求的不適應(yīng)性，也不敢貿(mào)然采用其他代用材料;因此，選擇一種代用材料全面達(dá)到鈷基合金性能是很難的，而針對(duì)閥門密封面不同的特性要求和工況使用條件選用與其相適應(yīng)的材料在一定范圍內(nèi)有條件代用則是可行的。
以來 , 國(guó)內(nèi)外均采用鉆基合金作為高溫、高壓閥門密封面的主要堆焊材料鈷基合金作為閥門密封面材料，經(jīng)過以來的研究表明，其耐沖蝕、耐擦傷、耐腐蝕、耐磨損、高溫抗氧化性和高溫紅硬性等綜合性能具有其他材料*的優(yōu)點(diǎn)。核級(jí)閥門密封面堆焊鈷基合金應(yīng)根據(jù)所堆焊閥件尺寸、結(jié)構(gòu)和企業(yè)堆焊設(shè)備的能力合理地選擇所適應(yīng)的工藝方法，并嚴(yán)格按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工藝評(píng)定，確保核級(jí)閥門的堆焊質(zhì)量。
2、工藝驗(yàn)證

2.1、材料

鈷基合金( 也稱為鈷鉻鎢合金，AWS 中稱之為slite) 根據(jù)不同化學(xué)成分對(duì)應(yīng)著不同的牌號(hào)和不同的硬度( 表1) 。AWS A5. 21 中，鈷基合金堆焊焊絲的型號(hào)有ERCoCr - A 和ERCoCr - B 等。國(guó)產(chǎn)的鈷基合金焊絲有HS111 和HS112 等。選用直徑為Φ4. 0mm 的HS 111 鈷基合金焊絲和F304 母材( 25mm × 180mm × 180mm，試件表面粗糙度≥Ra12. 5μm) 做工藝驗(yàn)證。

表1 堆焊用焊絲、填充絲的化學(xué)成分( Wt，%) 及硬度

堆焊用焊絲、填充絲的化學(xué)成分( Wt，%) 及硬度

表2 F304 的化學(xué)成分( Wt，%) 和力學(xué)性能

F304 的化學(xué)成分( Wt，%) 和力學(xué)性能

2.2、堆焊方法

堆焊采用非熔化極手工鎢極氬弧焊( GTAW) ，鎢極材料為鈰鎢極，焊機(jī)為逆變式帶有起始電流增遞和衰減裝置的手工鎢極氬弧焊機(jī)( 表3) 。

表3 堆焊工藝參數(shù)

堆焊工藝參數(shù)

通過車、銑將試板加工至25mm × 180mm ×180mm，試板表面粗糙度為Ra12. 5μm，無(wú)尖角和毛刺等。機(jī)加后的試板按相關(guān)要求進(jìn)行液體滲透檢測(cè)和驗(yàn)收。將驗(yàn)收合格的試板堆焊表面用丙酮清洗，確保堆焊區(qū)域無(wú)水珠、氧化物和油污等影響堆焊質(zhì)量的雜質(zhì)，隨即將試板放入熱處理爐中均勻預(yù)熱至250 ～ 350℃，保溫30 ～ 60min 后取出，立即進(jìn)行堆焊。堆焊用HS111 焊絲放置在焊絲盒中，若焊絲上有油脂等雜物，必須用丙酮擦拭干凈?，F(xiàn)場(chǎng)配備清污工具。堆焊前檢查手工鎢極氬弧焊設(shè)備、高頻引弧、保護(hù)氣、冷卻水等控制系統(tǒng)是否正常。堆焊環(huán)境相對(duì)濕度< 90%，風(fēng)速< 2m/s，氬氣的純度為99. 99%。

堆焊時(shí)，試樣水平放置，噴嘴與工件保持75°夾角，填充焊絲與工件夾角15°，鎢極與工件表面距離約為鎢極直徑的1. 5 倍( 圖1) 。堆焊時(shí)采用小電流、短弧焊、快速、多層多道左向焊法，弧長(zhǎng)應(yīng)保持不變，鎢極擺動(dòng)幅度不應(yīng)大于鎢極直徑的3 倍。多層道堆焊時(shí)，層、道間溫度不能低于250℃，各層間焊接交替處應(yīng)錯(cuò)開，接引處應(yīng)保證焊透和熔合，焊道兩側(cè)邊緣銜接處應(yīng)平緩過渡，不可過厚，避免造成道間熔合不良，形成未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷( 圖2) 。堆焊過程中，隨時(shí)檢查堆焊質(zhì)量和操作質(zhì)量，如有裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理和清除。

堆焊后的試板經(jīng)外觀檢驗(yàn)合格后立即進(jìn)行熱處理。熱處理溫度為860 ～ 900℃，保溫2h，隨爐緩冷。試板冷卻至室溫后，對(duì)焊縫及熱影響區(qū)按相關(guān)要求進(jìn)行外觀檢測(cè)和液體滲透檢測(cè)。

試樣堆焊

1. 焊絲2. 鎢極3. 堆焊金屬4. 工件

圖1 試樣堆焊

堆焊方法

圖2 堆焊方法

2.3、試樣檢測(cè)

試樣的熔敷金屬外觀檢驗(yàn)和液體滲透檢測(cè)合格后，通過機(jī)械加工的方式將熔敷金屬厚度加工至2mm，表面粗糙度為Ra0. 8μm( 圖3) 。采用GS1000直讀光譜儀檢測(cè)試樣表面化學(xué)成分( 表4) ，在室溫為15. 2℃，相對(duì)濕度為38% 的環(huán)境中，進(jìn)行硬度值檢測(cè)，共測(cè)定10 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)之間的間距均為10mm( 表5) ，其滿足HS111 的要求。

試樣檢測(cè)

圖3 試樣檢測(cè)

圓柱體試樣

圖4 圓柱體試樣

表4 堆焊金屬表面化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果( Wt，%)

堆焊金屬表面化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

表5 堆焊金屬表面硬度測(cè)定值

堆焊金屬表面硬度測(cè)定值

在垂直于熔敷金屬、熱影響區(qū)和母材的橫截面上制取兩個(gè)Φ25mm 的圓柱體試樣，試樣的橫截面上必須有熔敷金屬、過渡區(qū)和母材( 圖4) 。按相關(guān)要求對(duì)試樣的兩個(gè)橫截面進(jìn)行打磨和拋光后采用基鹽酸( 濃HNO3: 濃HCl = 1: 3 體積比) 溶液浸蝕，使熔敷金屬、過渡區(qū)和母材呈現(xiàn)出清晰的界面，然后用5 倍放大鏡目測(cè)觀察橫截面。橫截面上的熔敷金屬、過渡區(qū)和母材*熔合，無(wú)裂紋、未熔合、未焊透、氣孔和夾渣等缺陷，無(wú)其他線性缺陷，檢測(cè)結(jié)果符合相關(guān)規(guī)定的要求。

3、產(chǎn)品堆焊

DN300 奧氏體不銹鋼蝶閥閥體密封面是三偏心結(jié)構(gòu)，類似一不規(guī)則的橢圓。為了確保堆焊質(zhì)量，采用夾具使堆焊過程中閥體三偏心密封面始終處于水平位置( 圖5) 。堆焊時(shí)按照工藝驗(yàn)證確定的值選取工藝參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際工況調(diào)整焊接電流、焊接速度和轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，確保母材與熔敷金屬之間及熔敷金屬的各層、道之間熔合和焊透，無(wú)氣孔和夾渣等缺陷。堆焊時(shí)沿密封面圓周方向逐層堆焊，不允許在同一方向多層次同時(shí)堆焊，以減少應(yīng)力的集中。圓周上，熔敷金屬厚度應(yīng)均勻，不能有高、低不平的現(xiàn)象。閥體圖5 閥體為了達(dá)到上述兩項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，密封面的精加工必須采用研磨等工藝。研磨工藝雖然能保證密封0.2的粗糙度，但是要達(dá)到80%的吻合度則是很困難的，而且按傳統(tǒng)的研磨工藝生產(chǎn)效率低，成本高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。鈷基合金有較高的高溫紅硬性，這對(duì)切削和磨削加工帶來困難，在研磨工序中研磨器具很容易磨損而影響研磨質(zhì)量，同時(shí)，研磨材料(研磨砂、細(xì)砂布、金相砂紙、拋光)的消耗很大，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。由于鈷基合金的導(dǎo)熱性不高，韌性低，抗裂性差，采用強(qiáng)力磨削工藝無(wú)法克服加工后產(chǎn)生的鈷基材料表面微裂和強(qiáng)力加工后因應(yīng)力等因素影響形成的延時(shí)裂紋。
1）、導(dǎo)閥閥瓣彈簧失效；導(dǎo)閥閥瓣桿或頂桿卡住，使主閥活塞成開啟狀態(tài)；主閥活塞卡住在活塞套高位置。針對(duì)以上情況，我們要對(duì)RP-6進(jìn)行檢查和清洗，并確保組裝的正確。
2）、RP-6主閥或者導(dǎo)閥的密封面損壞或夾有異物；閥后先導(dǎo)管堵塞，導(dǎo)致減壓閥不能關(guān)閉；導(dǎo)閥內(nèi)薄膜片破損或其周邊密封處泄露。針對(duì)以上現(xiàn)象，我們除了要定期檢查清洗減壓閥外，還要在閥前設(shè)置過濾器和排污管，并且定期檢查和清洗過濾器及排污管，檢查減壓閥的時(shí)候，要注意觀察密封面是否有損壞，入發(fā)現(xiàn)損壞，要及時(shí)修補(bǔ)。
2、RP-6減壓閥出現(xiàn)調(diào)壓不穩(wěn)的現(xiàn)象
RP-6減壓閥閥后壓力與預(yù)設(shè)壓力不符或者出現(xiàn)大幅頻繁波動(dòng)的現(xiàn)象。導(dǎo)致出現(xiàn)該故障現(xiàn)象的原因有：導(dǎo)閥或主閥的彈簧疲勞；主閥活塞密封不嚴(yán)；調(diào)節(jié)彈簧剛度過大，造成閥后壓力不穩(wěn)；導(dǎo)閥內(nèi)薄膜片疲勞，甚至失去調(diào)節(jié)作用；閥內(nèi)活動(dòng)部件磨損，使閥門正常啟閉過程受阻。出現(xiàn)調(diào)壓不穩(wěn)的現(xiàn)象后，我們先啟用旁通管，切斷減壓閥前后的閥門，待減壓閥所屬管道泄壓后，對(duì)減壓閥進(jìn)行修理或更換。在減壓閥選用的時(shí)候，要根據(jù)閥前后壓力，選用合適的調(diào)節(jié)彈簧。減壓閥在給定的彈簧壓力即范圍內(nèi)，使用出口壓力在大值和小值之間能調(diào)整，不得有卡阻和異常的振動(dòng)，對(duì)于軟密封的減壓閥在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不得有滲漏的情況發(fā)生，對(duì)于金屬密封的減壓閥的話滲漏應(yīng)該不大于大流量的0.5%。出口流量變化的時(shí)候起出口壓力偏差值，直接作用式不大于20%先導(dǎo)式不大于10%，進(jìn)口壓力變化時(shí)候其出口壓力偏差值，直接作用式大于10%，先導(dǎo)式不大于5%。

對(duì)于減壓閥的部件也是有規(guī)定的，閥體地步應(yīng)該舍友排泄孔，并用螺塞堵封掉;閥體兩端連接法蘭的通徑應(yīng)該要相同的，而且和工程通徑DN要一直;導(dǎo)閥瓣采用錐面密封的時(shí)候，其密封寬度不大于0.5mm;主閥座喉部的直徑一般不小于0.8DN;彈簧指數(shù)應(yīng)該在4到9的范圍之內(nèi)選取等。
    閥門密封面是閥門為關(guān)鍵的一個(gè)工作面，閥門密封面質(zhì)量的好壞是直接能反應(yīng)出這個(gè)閥門的使用期限，而密封面上用的材料又是保證密封面質(zhì)量的重要因素的存在，所以，在選擇閥門密封面材料的時(shí)候要考慮到下面幾個(gè)要點(diǎn)：
*個(gè)耐腐蝕。腐蝕是密封面在介質(zhì)作用下，表面受到破壞的過程，如果說表面受到這種破壞的話，密封性能就不能保證了，因此，密封面材料必須耐腐蝕。材料的耐腐蝕性的主要還是取決在材料的成分及它材料本身的化學(xué)的穩(wěn)定性。
第二點(diǎn)抗擦傷，就是密封面相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中，材料因?yàn)槟Σ炼鸬膿p壞，這種孫黃必然引起了密封面的破壞，因此，密封面材料必須要具有良好的抗擦傷性能，尤其是閘閥這種閥門，他的密封結(jié)構(gòu)是閘板密封的。材料的抗擦傷性往往是材料內(nèi)部性質(zhì)決定的。
第三點(diǎn)耐沖蝕，就是介質(zhì)告訴流經(jīng)密封面的時(shí)候，使密封面操刀破壞的過程，這種破壞在高溫、高壓蒸汽介質(zhì)中使用的節(jié)流閥、安全閥更為明顯，對(duì)密封性的破壞影響是非常大的，因此，耐沖蝕是密封面材料的重要的要求之一。
第四點(diǎn)應(yīng)該有一定的硬度，在規(guī)定工作溫度下硬度不能發(fā)生大的下降。
第五點(diǎn)密封面和本體材料的線膨脹系數(shù)應(yīng)該近似，這樣對(duì)攘密封去去的結(jié)果更為重要，以免在高溫的情況下容易產(chǎn)生了額外的應(yīng)力和引起松動(dòng)。

第六點(diǎn)在高溫條件下使用，要有足夠的抗氧化、抗熱疲勞性以及熱循環(huán)等問題。

在目前的情況下，要找到全面復(fù)核上面所有說的要求的密封面材料是非常的難得，縱然找到了那價(jià)格也是非常的昂貴的，只能根據(jù)不同的閥門種類和用途，使用的工況介質(zhì)來重點(diǎn)滿足某個(gè)方面的要求了。比如說在告訴介質(zhì)中使用的閥門應(yīng)該特別注意密封面上的耐沖蝕性能要求，假如介質(zhì)中是含有固體雜質(zhì)的時(shí)候則要選擇硬度比較高的密封面的材料。

4、結(jié)語(yǔ)

閥門密封面采用手工鎢極氬弧焊堆焊鈷基合金是一種可行的且較為理想的堆焊工藝。應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的工藝文件，在焊接規(guī)范內(nèi)盡量選擇較小的焊接工藝參數(shù)，以降低熔敷金屬的稀釋率、熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：200X先導(dǎo)隔膜式水用減壓閥安裝要求